JP2018537247A - リアルタイムのレーザードップラー画像化のシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

開示されている方法およびシステムは、組織における表面下血管系の流体などの散乱体の動きに関する非接触診断情報を取得するよう動作可能であり得る。一例として、方法は、光源に、組織を放射光の少なくとも第１の部分で照射させ、光変調器を放射光の少なくとも第２の部分で照射させることを含んでもよい。放射光の第２の部分は、光変調器によって変調されてもよい。オフセット源は、オフセット周波数信号を提供するように構成されている。画像センサは、試料から光学情報を受信してもよい。基準周波数信号およびオフセット周波数信号に基づくヘテロダイン信号は、画像センサの各検出素子の利得入力として用いられてもよい。受信した情報に基づいて、試料の一部の動きが判定されてもよい。【選択図】図１

Description

関連出願の相互参照
［0001］ 本出願は、参照によりその全体が本明細書中に援用される、２０１５年１１月２４日に出願された米国特許出願第１４／９５０，０３８号の優先権を主張する。

［0002］ 血流の正確なマッピングは、各種臨床応用を可能にし得かつ／または改良し得る。例えば、血流マッピングは、生体組織における適正な血流維持の確保に役立ち得る。手術の際、フローマッピングは、切開位置の計画および過剰な血液損失の回避に役立ち得る。がん研究に関して、疑わしい腫瘍近傍の微小血管系における血流変化は、腫瘍の種類および／または領域の識別に役立ち得る。さらに、血流マッピングは、生理学および心理学を研究するために神経学的応用で利用され得る。例えば、血流は、脳機能および脳活性化を示し得る。血流マッピングのさらなる応用として、網膜症、皮膚科および心臓病が挙げられる。

［0003］ 一態様では、システムが提供されている。本システムは、光変調器、局部発振器源、オフセット源、混合器、光源、画像センサおよびコントローラを含む。局部発振器源は、光変調器に基準周波数信号を提供するように構成されている。オフセット源は、オフセット周波数信号を提供するように構成されている。混合器は、基準周波数信号およびオフセット周波数信号に基づいてヘテロダイン信号を提供するように構成されている。光源は、光変調器に光学的に結合されている。光源は、試料を放射光の少なくとも第１の部分で照射し、光変調器を放射光の少なくとも第２の部分で照射するように光を放射するように動作可能である。光変調器は、変調光を提供するように、基準周波数信号に基づいて放射光の少なくとも第２の部分を制御可能に変調するように構成されている。画像センサは、変調光が画像センサを照射するように、試料および光変調器に光学的に結合されている。画像センサは、複数の検出素子を含む。複数の検出素子の各検出素子は利得入力を有する。利得入力は、各検出素子の利得入力がヘテロダイン信号に基づいて変調されるように、混合器に結合されている。コントローラは、少なくとも１つのプロセッサを含む。コントローラは、動作を実行するようにプログラムされている。動作は、ヘテロダイン信号の周波数を調整することを含む。動作は、ヘテロダイン信号の周波数を調整しながら、画像センサから情報を受信することをさらに含む。動作は、その上さらに、受信した情報に基づいて試料の一部の動きを判定することを含む。

［0004］ 一態様では、方法が提供されている。本方法は、光源に、試料を放射光の少なくとも第１の部分で照射し光変調器を放射光の少なくとも第２の部分で照射するように光を放射させることを含む。光変調器は、変調光を提供するように、基準周波数信号に基づいて放射光の少なくとも第２の部分を制御可能に変調するように構成されている。本方法は、オフセット源を調整することも含む。オフセット源は、オフセット周波数信号を提供するように構成されている。オフセット源を調整することは、オフセット周波数信号を、オフセット周波数の所定域内で変更することを含む。本方法は、オフセット源を調整しながら、画像センサから情報を受信することをさらに含む。画像センサは、変調光が画像センサを照射するように、試料および光変調器に光学的に結合されている。画像センサは、複数の検出素子を含む。複数の検出素子の各検出素子は利得入力を有する。利得入力は、混合器に結合されている。混合器は、基準周波数信号およびオフセット周波数信号に基づいてヘテロダイン信号を提供するように構成されている。各検出素子の利得入力は、ヘテロダイン信号に基づいて変調される。本方法は、その上さらに、受信した情報に基づいて試料の一部の動きを判定することを含む。

［0005］ 他の態様、実施形態および実装例は、適切な場合には添付図面を参照して以下の詳細な説明を閲読することによって、当業者に明らかとなろう。

［0006］例示的な実施形態によるシステムを示す図である。 ［0007］例示的な実施形態による方法を示す図である。

１．概観
［0008］ 本開示の実施形態は、組織における血流に関する診断情報を提供するように動作可能であるシステムおよび方法に関する。具体的には、レーザーは、試料を放射光の一部で照射し得る。放射光の別の部分は、光変調器を介して、基準周波数で変調され得る。制御可能な周波数オフセットおよび基準周波数は、ヘテロダイン信号へと混合され得る。ヘテロダイン信号は、複数の検出素子に対する利得入力として利用され得る。そうしたシナリオでは、試料における血液の動きは、複数の検出素子から受信した情報から取得され得る。さらに、周波数オフセットを調整することによって、ある範囲の血流量に関する情報が取得され得る。

［0009］ 検出素子の利得入力を変調することによって、変調周波数と異なる周波数で発生する光のゆらぎは、平均するとゼロになり得る。このようにして、各検出素子は、独立したロックインアンプとして動作可能であり得、単一の画像フレームでは、複数の検出素子は、意図された周波数近傍のドップラーシフトを有するフロー構成要素のスナップショットを提供し得る。さらに、オフセット周波数を所定域（たとえば、数ＭＨｚ）にわたって調整することによって、ある範囲の流量を有する複数の画像フレームがキャプチャされ得る。

［0010］ 例示的な実施形態は、光ヘテロダイン検波およびドップラー効果に少なくとも部分的に基づいて表面下血管系のフローマッピングを提供するように動作可能であってもよい。光ヘテロダイン検波には、非変調信号と局部発信器周波数で変調された信号の非線形光混合が含まれる。非線形光混合は、２乗検波器で重畳光信号を検波したときに発生し得る。検波プロセスは、非変調信号と変調信号の、和周波数の信号および差周波数の信号を生成する。

［0011］ ドップラー効果は、本明細書中で、流体流量を判定する方法として利用され得る。すなわち、照明光と流動流体の光学的相互作用により、流体の流体流量に基づいてドップラーシフトされた周波数を有する散乱光が生成され得る。本明細書中で記載するように、流体は、血液、リンパ液、間質液、または検出システムおよび／もしくは照明光源に対して移動している別のタイプの流体物または固体物に関連してもよい。

［0012］ ドップラー効果と光ヘテロダインを組み合わせることによって、本明細書中に開示されたシステムおよび方法は、リアルタイム、フルフレームの流体フロー画像を提供するように動作可能であり得る。例示的な実施形態では、表面下血管系（例えば血管）における定量的流量測定は、広視野にわたって取得され得る。さらに、本システムおよび方法は、さまざまな流速をモニタリングし、流れの遅い浅い血管ならびに皮膚表面から少なくとも数ミリメートルのところにあってもよい、多少深部の血管の両方を検知するのに動作可能であり得る。さらに、開示された実施形態の一部は、非接触式に動作してもよく、これにより、実施者／患者のより良好な経験が提供され得、かつ、外科的処置に関連する使用が可能にされ得る。そうした外科的シナリオでは、非接触システムは、他の手術用機器を邪魔せず、異物を手術部位内に取り込まないという利益を提供する。
２．システム例

［0013］ 図１は、例示的な実施形態によるシステム１００を示す。システム１００は、光変調器１０２、局部発振器源１０４、オフセット源１０６、混合器１０８、および少なくとも１つの光源１１０を含む。システム１００はまた、画像センサ１２０およびコントローラ１３０も含む。任意選択的に、システム１００は、ビームスプリッタ１１２、１１４および１１６を含んでもよい。

［0014］ 図１にビームスプリッタ１１２、１１４および１１６が示されているが、他の光学構成要素が、本明細書中に記載したように光を調節し、方向付け、かつ／または吸収することが可能であることが理解される。例えば、光ファイバセットアップでは、１つ以上のファイバ結合器が用いられ得る。さらに、光ファイバは、シングルモードファイバであってもよい。さらに、システム１００は、画像センサ１２０でモード整合を提供する様々な光学構成要素を含んでもよい。すなわち、試料から受信した光信号と変調光１３６の適切な光ヘテロダイン混合を達成するために、光学構成要素は、画像センサ１２０の検出素子のすべてにわたってモード整合を維持するように選択され得る。光フィルタ、レンズ、開口およびシャッターなどの他の光学要素はシステム１００に実装され得、すべてが本明細書中で予想される。

［0015］ 光源１１０は、ビームスプリッタ１１２を介して光変調器１０２に光学的に結合されている。光変調器１０２は、変調光１３６を提供するように、基準周波数信号１０５に基づいて放射光の少なくとも第２の部分を制御可能に変調するように構成されている。

［0016］ 例示的な実施形態では、光源１１０は単一モードレーザーであってもよい。例えば、光源１１０は、約７８５ナノメートルの波長を有する放射光１１１を提供するように構成されたレーザーを含んでもよい。さらに、他の低位相雑音、単一モード、単一波長光源が可能である。近赤外（例えば０．７−２．０ミクロン）における他の波長が可能であり、予想される。一例として、放射光１１１の波長は、組織における照明光の侵入深さならびに体液の分光吸収帯および血液の分光吸収帯といった検討事項に基づいて選択かつ／または制御され得る。

［0017］ いくつかの実施形態では、光源１１０は、複数の光源を含んでもよい。そうしたシナリオでは、光源１１０は、分光フロー情報の必要性に基づいて選択され得る。例えば、第１の波長で動作する第１の光源は、第１の組織深度での流量に関する情報を取得するように構成され得、第２の光源は、第２の組織深度での流量に関する情報を取得するように第２の波長で動作するように構成され得る。

［0018］ システム１００は、組織１４０と相互作用するように構成され得る。すなわち、組織の一部１５４は、照明光１３４によって照射されてもよい。照明光１３４は、非変調光を含んでもよい。例えば、照明光１３４は、非変調である、光源１１０からの放射光１１１の第１の部分を含んでもよい。変調光１３６は、放射光１１１の第２の部分１３３と光変調器１０２の間の相互作用によって提供されてもよい。具体的には、変調光１３６は、局部発振器源１０４からの基準周波数信号１０５に基づいて変調され得る。

［0019］ 例示的な実施形態では、光変調器１０２は、放射光１１１の第２の部分１３３の光周波数をシフトするように構成され得る。さらに、光変調器１０２は、実質的に定常な振幅を保持するように構成され得る。このようにして、光変調器１０２は、変調光１１１の第２の部分１３３の単側波帯の位相を変調するように構成された位相変調器であってもよい。

［0020］ 例えば、光変調器１０２は、屈折変調器であってもよい。このようにして、屈折変調器は、調節可能な屈折率を有する材料を含んでもよい。例えば、屈折変調器は、その屈折率を、音響光学効果または電気光学効果を介して調整してもよい。そうした例では、屈折変調器は、進行波音響光学変調器（ＡＯＭ）または電気光学変調器（ＥＯＭ）であってもよい。

［0021］ その上さらに、光変調器１０２は、入射光の位相を調節するように構成された空間光変調器（ＳＬＭ）であってもよい。

［0022］ いくつかの実施形態では、光変調器１０２は、入射してくる光を様々な伝達関数にしたがって変調し得る。例えば、光変調器１０２は、入射してくる光の位相を、正弦波変調入力信号にしたがって変調し得る。代替として、変調入力信号は、線形鋸歯状波を含んでもよい。そうしたシナリオでは、光変調器１０２は、入射してくる光を、セロダイン位相変調にしたがって変調し得る。

［0023］ 代替として、光変調器１０２は、吸収変調器であってもよい。そうしたシナリオでは、吸収変調器は、調節可能な吸収係数を有する材料を含んでもよい。例えば、吸収変調器は、電界吸収変調器（ＥＡＭ）であってもよい。

［0024］ 局部発振器源１０４は、基準周波数信号１０５を光変調器１０２および混合器１０８に提供するように構成されている。例示的な実施形態では、局部発振器源１０４は、周波数合成器であってもよく、それは発振回路および周波数混合器を含んでもよい。局部発振器源１０４は、低調波のかつ位相の雑音を有する安定周波数基準を提供するように動作可能であってもよい。他の実施形態では、局部発振器源１０４は、水晶発振器または可変周波数発振器であってもよい。例示的な実施形態では、局部発振器源１０４は、１〜１００ＭＨｚ間の基準周波数信号１０５を提供するように調整可能であってもよい。例示的な実施形態では、局部発振器源１０４は、４０ＭＨｚの基準周波数信号１０５を提供してもよい。他の周波数が、本明細書中で予想される。

［0025］ オフセット源１０６は、オフセット周波数信号を提供するように構成されている。例示的な実施形態では、オフセット源１０６は、周波数合成器であってもよい。他のオフセット周波数域が可能である。オフセット源１０６は、０〜５ＭＨｚの周波数を有するオフセット周波数信号１０７を提供するように調整可能であってもよい。他の周波数が、本明細書中で予想される。

［0026］ 混合器１０８は、基準周波数信号１０５およびオフセット周波数信号１０７に基づいてヘテロダイン信号１０９を提供するように構成されている。例示的な実施形態では、混合器１０８は、非線形電気回路を有する周波数混合器であってもよい。このようにして、非線形電気回路は、基準周波数信号１０５およびオフセット周波数信号１０７を受け取り、２つの新しい信号；基準周波数とオフセット周波数の和の第１の信号および基準周波数とオフセット周波数の差の第２の信号を生成するように動作可能であってもよい。そうしたシナリオでは、オフセット源１０６は、０〜５ＭＨｚのオフセット周波数信号１０７を提供するように調整可能であってもよい。例えば、基準周波数信号１０５が４０ＭＨｚの搬送周波数を有する場合、オフセット周波数信号１０７は、０〜５ＭＨｚの範囲内の周波数を有してもよい。混合器１０８は、オフセット周波数信号１０７と基準周波数信号１０５からの和の周波数および差の周波数を含むとしてヘテロダイン信号１０９を提供してもよく、その結果、ヘテロダイン信号１０９は、３５〜４５ＭＨｚの周波数域内に在ってもよい。しかしながら、他のヘテロダイン信号、周波数および周波数域が可能である。

［0027］ 例示的な実施形態では、フィルタは、システム１００に対するフロー方向を区別するために用いられ得る。すなわち、フィルタは、「正の」フロー情報および「負の」フロー情報を明確にするために用いられ得る。いくつかの実施形態では、フィルタは無効にされてもよく、フロー方向に関わらず、全てのフロー構成要素の画像化を可能にする。

［0028］ いくつかの実施形態では、混合器１０８は、受動混合器または能動（例えば増幅）混合器であってもよい。さらに、混合器１０８は、シングルバランスドミキサまたはダブルバランスドミキサであってもよい。代替として、混合器１０８は、不平衡混合器（例えばダイオード）であってもよい。他のタイプの無線周波数（ＲＦ）混合器が、本明細書中で予想される。

［0029］ 画像センサ１２０は、組織１４０および光変調器１０２に光学的に結合されてもよい。例示的な実施形態では、画像センサ１２０は、ビームスプリッタ１１４および１１６を介して組織１４０に光学的に結合されている。画像センサ１２０に、組織１４０、具体的には組織の一部１５４、を含む視野からの光を検出することを可能にさせるような他の光学的構成が可能であることが理解される。

［0030］ 画像センサ１２０はまた、ビームスプリッタ１１６を介して光変調器１０２にも結合されてもよい。したがって、画像センサ１２０は、変調光１３６ならびに組織１４０からの散乱光を受けるように構成されてもよい。

［0031］ 例示的な実施形態では、画像センサ１２０は、複数の検出素子を含む。例えば、検出素子は、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）検出器、または電荷結合素子（ＣＣＤ）であってもよい。そうしたシナリオでは、複数の検出素子の各検出素子は、利得入力を有してもよい。利得入力は、各検出素子の利得入力がヘテロダイン信号１０９に基づいて変調されるように、混合器１０８に結合されてもよい。すなわち、画像センサ１４０は、利得変調された画像センサとして動作されてもよい。言い換えると、検出器の利得を変調することによって、各検出素子は、ロックインアンプとして働き得、ヘテロダイン信号１０９以外の周波数を有する信号を少なくとも実質的に拒絶し得る。

［0032］ 画像センサ１４０は、１〜１０ミリ秒ごとに画像（例えば、１秒ごとに１００〜１０００の画像フレーム）をキャプチャするように構成されてもよい。しかしながら、１秒ごとに１０のフレームといった他のキャプチャ率が可能である。

［0033］ コントローラ１３０は、少なくとも１つのプロセッサおよびメモリを含む。メモリは、コントローラに動作の実行を指示し得る特定の命令を含んでもよい。動作は、オフセット周波数信号１０７がオフセット周波数の所定域内（例えば０〜５ＭＨｚ）で変更されるようにオフセット源を調整することを含む。このようにして、ヘテロダイン信号１０９は、３５〜４５ＭＨｚの周波数域内に在ってもよい。他の周波数域が可能である。

［0034］ 動作はまた、オフセット源１０６を調整しながら、画像センサから情報を受信することも含む。例示的な実施形態では、受信した情報は、変調光と組織の一部１５４の間の散乱相互作用を示す情報を含む。

［0035］ 動作は、さらに、受信した情報に基づいて、試料の一部（例えば、血管１４２の流体）の動きを判定することを含む。動きの判定は、試料の少なくとも一部における流体の流れを計算かつ／または推定することを含んでもよい。例示的な実施形態では、計算は、検出器データにおいて観察されるドップラーシフトに基づくものであってもよい。

［0036］ 例示的な実施形態では、組織１４０の血管１４２の流動流体１４４は、照明光１３４によって照射されてもよい。ドップラーシフトは、照明光１３４と流動流体１４４の間の散乱相互作用から散乱光が生成されたときに生じ得る。言い換えると、散乱光は、流動流体１４４の動きに基づいてドップラーシフトを示し得る。例えば、ドップラーシフトは、１ＭＨｚ前後であってもよい。例示的な実施形態では、「遅い」血管（例えば血管１４２）は、１ＭＨｚ以下のドップラーシフトを示し得る。例えば、毛細血管は、１秒当たり１００ミクロン前後の血流を示し得、静脈は、１秒当たり１０ミリメートル前後の血流を有し得る。

［0037］ いくつかの実施形態では、「速い」血管（例えば血管１４８）は、２ＭＨｚまでのドップラーシフトを示し得る。他のドップラーシフトが可能である。例えば、動脈は、１秒あたり１メートルを超える拍動血流を示し得、それはドップラーシフトの数ＭＨｚに対応し得る。特定のドップラーシフトの振幅および符号は、例えば光源１１０とそれぞれの流体の流れ１４４および１５０の相対配向および相対運動に依存し得ることが理解される。したがって、他のドップラーシフトの値が可能である。

［0038］ 任意選択的に、動作は、さらに、試料におけるフローマップを判定することを含んでもよい。フローマップは、試料のそれぞれの空間部分の流体の流れ に関する情報を含んでもよい。フローマップは、画像センサ１２０からの１つ以上の画像によって提供されてもよい。例示的な実施形態では、複数のフローマップは組み合わされて、ハイパースペクトル流量データキューブを形成してもよい。そうしたシナリオでは、ハイパースペクトル流量データキューブは、それぞれが各画素位置（ｘおよびｙ）での強度を示す複数の画像を含んでもよい。より高い強度は、検出器が所与のドップラーシフトで相対的に多い数の光子を感知していることを示し得る。

［0039］ オフセット信号１０７ひいてはヘテロダイン信号１０９を変更するようにオフセット源１０６を調整しながら、複数の画像がキャプチャされてもよい。そうした場合、複数の画像の各画像は、所与の画像がキャプチャされながら検出素子の利得入力に供給されたヘテロダイン信号１０９の周波数に基づく所与のドップラーシフト（ひいては特定の流量）を表してもよい。したがって、ハイパースペクトル流量データキューブの各要素は、画像センサ１２０に沿うｘ位置、画像センサ１２０に沿うｙ位置および流量（またはドップラーシフト）を用いて表されてもよい。

［0040］ 図１は特定の構成の要素を有するものとしてシステム１００を示すが、他の構成が可能である。例えば、光学構成要素の少なくともいくつかは、異なる目的のために、移動、修正かつ／または用いられてもよい。例示的な実施形態では、光変調器１０２は、放射光１１１の第２の部分１３３ではなく、試料からの信号ビームを変調するために随意的に用いられてもよい。別の実施形態では、オフセット周波数信号１０７は、光変調器１０２に供給されてもよい。そうしたシナリオでは、画像センサ１２０の検出素子の利得入力は、固定利得を有してもよい。

［0041］ さらに、または、代替として、システム１００のいくつかの要素は、組み合わされてもよく、かつ／または、再配置されてもよい。例えば、いくつかのタイプの光変調器（例えば音響光学変調器（ＡＯＭ））は、周波数シフタ／変調器とビームスプリッタの両方として同時に機能してもよい。さらに、ヘテロダイン信号１０９は、オフセット源１０６および混合器１０８の代わりに、独立した周波数源によって生成されてもよい。システム１００の要素の他の構成が可能である。

［0042］ いくつかの実施形態では、システム１００は、内視鏡内に組み込まれてもよい。例えば、システム１００は、光ファイババンドルを介して内視鏡に光学的に結合されてもよい。１つ以上の光ファイバは、照明光１３４を、光路１３２を介して組織１４０に送達してもよい。さらに、複数の光ファイバは、流動流体１４４および１５０などの組織１４０における様々な構造体との散乱相互作用からの光を受けてもよい。いくつかの実施形態では、光ファイバは、偏波保持光ファイバであってもよい。

［0043］ 他の実施形態では、システム１００は、手術ロボット、外科用メス、モバイルコンピューティングデバイスまたは別のタイプの医療機器に組み込まれてもよい。一般に、システム１００は、散乱体と照明光１３４の光位相の間の任意の相対運動を検出するように動作可能であってもよい。
３．方法例

［0044］ 図２は、例示的な実施形態による方法２００を示す。方法２００は、様々なブロックまたはステップを含んでもよい。ブロックまたはステップは、個々にまたは組み合わせて実行されてもよい。ブロックまたはステップは、任意の順序でかつ／または順次または並行して実行されてもよい。さらに、ブロックまたはステップは、方法２００において、省略されてもよくまたは追加されてもよい。

［0045］ 方法２００のブロックは、図１を参照して示され記載されたようなシステム１００の様々な要素によって実行されてもよい。

［0046］ ブロック２０２は、試料を放射光の少なくとも第１の部分で照射し光変調器を放射光の少なくとも第２の部分で照射するように、光源に光を放射させることを含む。光源は、図１を参照して示され記載されたような光源１０２を含んでもよい。例えば、光源は単一モードレーザーであってもよい。放射光の第１の部分は、照明光１３４を含んでもよい。さらに、放射光の第２の部分は第２の部分１３３を含んでもよく、これは変調光１３６を提供するように変調されてもよい。

［0047］ 光変調器は、光変調器１０２を含んでもよく、音響光学変調器または電気光学変調器であり得る。光変調器は、変調光を提供するように、基準周波数信号に基づいて放射光の少なくとも第２の部分を制御可能に変調するように構成されている。基準周波数信号は、図１を参照して示され記載されるような局部発振器源１０４によって提供される基準信号１０５であってもよい。図１に関して記載されるように、システム１００の要素は、様々な構成でかつ／または様々な目的のために用いられ得る。例示的な実施形態では、基準周波数信号Ｓ_ＯＳＣは、１〜１００ＭＨｚの周波数を有してもよく、これは以下のように表されてもよい。

［0048］ Ｓ_ＯＳＣ（ｔ）∝ｓｉｎ（２πｆ_ＯＳＣｔ）

［0049］ 光変調器１０２は、ｆ_ＯＳＣで第２の部分１３３を変調してもよい。さらに、光変調器１０２は、単側波帯信号を提供してもよい。例示的な実施形態では、光基準周波数信号（例えば変調光１３６）は正弦波であってもよく、

として表され得る電場を有してもよい。

［0050］ ブロック２０４は、オフセット源を調整することを含む。オフセット源は、オフセット源１０６であり得る。オフセット源は、オフセット無線周波数信号（例えばオフセット周波数信号１０７）を提供するように構成されている。例示的な実施形態では、オフセット無線周波数信号は、正弦波であってもよく、Ｓ_{ｏｆｆｓｅｔ}（ｔ）∝ｓｉｎ（２πｆ_{ｏｆｆｓｅｔ}ｔ）として表されてもよい。オフセット周波数信号および基準周波数信号は、混合器１０８などの混合器に入力されて、ヘテロダイン信号を形成してもよい。ヘテロダイン信号は、オフセット周波数と基準周波数の和の周波数および差の周波数の信号を含んでもよい。

［0051］ 所与の基準周波数ｆ_ＯＳＣおよび所与のオフセット周波数ｆ_{ｏｆｆｓｅｔ}において、ヘテロダイン信号は、Ｓ_{ｈｅｔｅｒｏｄｙｎｅ}（ｔ）∝ｓｉｎ［２π（ｆ_ＯＳＣ±ｆ_{ｏｆｆｓｅｔ}）ｔ］として表され得る。

［0052］ オフセット源を調整することは、オフセット周波数信号を、オフセット周波数の所定域（例えば０〜５ＭＨｚ）内で変更することを含んでもよい。例示的な実施形態では、基準周波数は４０ＭＨｚであってもよい。したがって、ＲＦヘテロダイン信号の周波数、ｆ_{ｈｅｔｅｒｏｄｙｎｅ}は３５〜４５ＭＨｚの間に在ってもよい。ヘテロダイン信号の他の周波数が可能である。

［0053］ ブロック２０６は、オフセット源を調整しながら、画像センサから情報を受信することを含む。画像センサは、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）、光電子増倍管（ＰＭＴ）、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）検出器、または電荷結合素子（ＣＣＤ）の少なくとも１つを含んでもよい。画像センサは、変調光が画像センサを照射するように、試料および光変調器に光学的に結合されている。画像センサは、複数の検出素子を含んでもよい。

［0054］ 放射光の第１の部分（例えば照明光１３４）は、様々な種類の光学的プロセスを介して試料と相互作用してもよい。例えば、放射光の第１の部分は、試料の一部によって吸収され、反射され、または散乱されてもよい。さらに、試料の一部が光源に対して移動すると、ドップラーシフトが散乱光で観察されてもよい。例えば、ドップラーシフトは、放射光の周波数と比較して、散乱光の周波数（および対応する波長）の変化を含んでもよい。言い換えると、試料の一部が光源に対して移動しているシナリオでは、画像センサによって受けられる散乱光の少なくとも一部は、移動している試料の一部から散乱されるドップラーシフトされた光を含んでもよい。

［0055］ ドップラーシフトΔｆは、Δｆ／ｆ_{ＳＯＵＲＣＥ}∝ｖ／ｃとして表されてもよく、ｆ_{ＳＯＵＲＣＥ}は、放射光の周波数であり、ｃは光の速度であり、ｖは光源に対する試料の一部の速度である。したがって、試料の移動している一部から散乱された光は、以下のように表されてもよい。

［0056］ Ｓ_{ｓａｍｐｌｅ}（ｔ）∝ｓｉｎ［２π（ｆ_{ＳＯＵＲＣＥ}＋Δｆ）ｔ］

［0057］ 画像センサの検出素子は、「２乗検波器」として光を吸収するように構成されてもよい。すなわち、検出器によって生成される検出器信号Ｄは、検出器に入射する光の電場振幅の２乗に比例する。２つの偏波整合された、正弦波的に変動するコヒーレント（例えば同相の）光信号、すなわちＳ_{ｓａｍｐｌｅ}およびＳ_{ｍｏｄｕｌａｔｏｒ}が検出器に同時に存在する場合、検出器信号Ｄは、２つの光信号の重畳として表されてもよい。

［0058］ Ｄ∝∫（Ｓ_{ｓａｍｐｌｅ}＋Ｓ_{ｍｏｄｕｌａｔｏｒ}）^２ｄｔ

［0059］ さらに、画像センサの各検出素子は、利得入力を有する。このようにして、各検出素子は、利得Ｇ（ｔ）を検出素子の出力に提供してもよい。代入すると以下のようになる。

［0060］ Ｄ∝∫Ｇ（ｔ）［ｓｉｎ［２π（ｆ_{ＳＯＵＲＣＥ}±Δｆ）ｔ］＋ｓｉｎ［２π（ｆ_{ｓｏｕｒｃｅ}±ｆ_ＯＳＣ）ｔ］］^２ｄｔ

［0061］ 利得入力は、Ｇ（ｔ）＝Ｓ_{ｈｅｔｅｒｏｄｙｎｅ（ｔ）}＝ｓｉｎ［２π（ｆ_ＯＳＣ±ｆ_{ｏｆｆｓｅｔ}）ｔ］となるように、混合器に電気的に結合されてもよい。すなわち、混合器１０８からのヘテロダイン信号は、画像センサ１２０の複数の検出素子それぞれに対する時間変動利得入力として用いられてもよい。光信号の重畳の和の２乗は、ｓｉｎ［２π（ｆ_ＯＳＣ−Δｆ）ｔ］に比例する差分項を有する。ヘテロダイン利得入力に代入すると以下が得られる。

［0062］ Ｄ≒∫ｓｉｎ［２π（ｆ_ＯＳＣ−ｆ_{ｏｆｆｓｅｔ}）ｔ］ｓｉｎ［２π（ｆ_ｏｓｃ−Δｆ）ｔ］ｄｔ

［0063］ したがって、ｆ_ＯＳＣ−ｆ_{ｏｆｆｓｅｔ}≒ｆ_ＯＳＣ−Δｆの場合をのぞくすべての周波数においてＤ＝ゼロである。したがって、ヘテロダイン信号を検出素子の利得入力への入力として用いることによって、検出素子、および画像センサ全体として、ヘテロダイン信号周波数以外の周波数で受信された光信号をフィルタリングし得る。すなわち、それぞれの検出素子の利得入力を変調することによって、検出素子を、ヘテロダイン信号周波数と異なる周波数を有する信号を拒絶または抑制するように構成された個々のロックインアンプとして動作させ得る。

［0064］ したがって、オフセット信号の周波数を所定域内で調整することによって、オフセット信号周波数と等しい周波数を有するドップラーシフトされた光は、選択可能に分離されてもよい。言い換えると、画像センサは、等価のオフセット信号周波数を選択することによって、所与のドップラー周波数シフトに対応する速度で移動している試料の部分に選択可能に感応的であってもよい。このようにして、組織内の流体の流れに適用されると、ある範囲の流体流量は、オフセット信号周波数を０〜５ＭＨｚの範囲内で調整することによって画像センサで画像化され得る。

［0065］ ブロック２０８は、受信した情報に基づいて、試料の一部の動きを判定することを含む。受信した情報に基づいて、試料の一部の動きを判定することは、試料の一部における流体の流れを判定することを含む。例示的な実施形態では、受信した情報は、放射光の第１の部分と試料の一部の間の散乱相互作用を示す情報を含む。したがって、本明細書中の別の個所に記載されたように、試料の一部における流体の流れの流量は、受信した情報のドップラーシフトに少なくとも基づいて判定されてもよい。

［0066］ 言い換えると、観察される流量は、ヘテロダイン信号周波数に基づいて計算されてもよい。さらに、画像センサおよび光源が移動していない場合、試料の一部の流量または速度は、ｖ_{ｓａｍｐｌｅ}∝ｃ（ｆ／ｆ_０−１）として計算されてもよくまたは近似されてもよい。試料の一部の動きを判定または計算する他の方法が可能であり、本明細書中で予想される。

［0067］ 任意選択的に、本方法は、試料に対するフローマップを判定することを含んでもよい。フローマップは、試料の複数の部分それぞれの各流量を含んでもよい。例えば、画像センサの各検出素子または画素は、異なる試料の部分から光を受けるように構成されてもよい。このようにして、画像センサからの各画像フレームは、試料の面積、体積および／または領域に関する流量の情報を含んでもよい。さらに、ヘテロダイン信号が所定域内で調整されるようにオフセット信号を調整しながら試料を画像化することによって、ある範囲の流量に関する情報を含む画像フレームが取得され得る。

［0068］ 図に示されている特定の構成は、限定するものとして見られるべきではない。他の実施形態は所与の図に示された各要素をより多く、またはより少なく含んでもよいことが理解されるべきである。さらに、示された要素のいくつかは、組み合わされてもよくまたは省略されてもよい。その上さらに、実例的な実施形態は、図に示されていない要素を含んでもよい。

［0069］ 情報の処理を表すステップまたはブロックは、本明細書中に記載された方法または技術の特定の論理機能を実行するように構成され得る回路に対応し得る。代替として、または、さらに、情報の処理を表すステップまたはブロックは、モジュール、セグメント、またはプログラムコード（関連データを含む）の一部に対応し得る。プログラムコードは、方法または技術における特定の論理機能またはアクションを実装するためのプロセッサによって実行可能な１つ以上の命令を含み得る。プログラムコードおよび／または関連データは、ディスク、ハードドライブ、または他の記憶媒体を含む記憶装置などの任意のタイプのコンピュータ可読媒体に格納され得る。

［0070］ コンピュータ可読媒体は、レジスタメモリ、プロセッサキャッシュおよびランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）のような、データを短期間格納するコンピュータ可読媒体などの非一時的なコンピュータ可読媒体も含み得る。コンピュータ可読媒体は、より長い期間、プログラムコードおよび／またはデータを格納する非一時的なコンピュータ可読媒体も含み得る。したがって、コンピュータ可読媒体は、例えば読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、光または磁気ディスク、コンパクトディスク読み出し専用メモリ（ＣＤ−ＲＯＭ）のような二次的なまたは永続的な長期ストレージを含んでもよい。コンピュータ可読媒体は、任意の他の揮発性または不揮発性記憶システムでもあり得る。コンピュータ可読媒体は、コンピュータ可読記憶媒体、例えばまたは有形記憶装置と見なされ得る。

［0071］ 様々な例および実施形態が開示されてきたが、他の例および実施形態が、当業者に明らかとなろう。様々な開示された例および実施形態は、例示の目的のためであり、限定する意図はなく、真の範囲および精神は、以下の特許請求の範囲によって示されている。

Claims (23)

1. 光変調器と、
   基準周波数信号を前記光変調器に提供するように構成された局部発振器源と、
   オフセット周波数信号を提供するように構成されたオフセット源と、
   前記基準周波数信号および前記オフセット周波数信号に基づいてヘテロダイン信号を提供するように構成された混合器と、
   前記光変調器に光学的に結合された光源であって、前記光源は試料を放射光の少なくとも第１の部分で照射し前記光変調器を前記放射光の少なくとも第２の部分で照射するように光を放射するように動作可能であり、前記光変調器は変調光を提供するように、前記基準周波数信号に基づいて前記放射光の少なくとも前記第２の部分を制御可能に変調するように構成された、光源と、
   前記変調光が画像センサを照射するように前記試料および前記光変調器に光学的に結合された画像センサであって、前記画像センサは複数の検出素子を備え、前記複数の検出素子の各検出素子は利得入力を有し、前記利得入力は、各検出素子の前記利得入力が前記ヘテロダイン信号に基づいて変調されるように、前記混合器に結合された、画像センサと、
   少なくとも１つのプロセッサを備えるコントローラであって、前記コントローラは動作を実行するようにプログラム化され、前記動作は、
   前記ヘテロダイン信号の周波数を調整すること、
   前記ヘテロダイン信号の前記周波数を調整しながら、前記画像センサから情報を受信すること、および、
   前記受信した情報に基づいて、前記試料の一部の動きを判定することを備える、コントローラと、
   を備える、システム。
2. 前記ヘテロダイン信号の前記周波数を調整することが、前記オフセット周波数信号がオフセット周波数の所定域内で変更されるように前記オフセット源を調整することを備える、請求項１に記載のシステム。
3. 前記光変調器が、音響光学変調器または電気光学変調器の少なくとも１つを備える、請求項１に記載のシステム。
4. 前記光源が単一モードレーザーを備える、請求項１に記載のシステム。
5. 前記光源が複数のレーザーを備える、請求項１に記載のシステム。
6. 前記画像センサが、利得変調された画像センサを備える、請求項１に記載のシステム。
7. 前記画像センサが、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）、光電子増倍管（ＰＭＴ）、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）検出器、または電荷結合素子（ＣＣＤ）の少なくとも１つを備える、請求項１に記載のシステム。
8. 前記試料の一部の動きを前記受信した情報に基づいて判定することが、前記試料の前記一部の流体の流れを判定することを備える、請求項１に記載のシステム。
9. 前記試料の前記一部の前記流体の流れを判定することが、前記試料の前記一部の前記流体の流れの流量を判定することを備える、請求項８に記載のシステム。
10. 前記動作が、さらに前記試料のフローマップを判定することを備え、前記フローマップが、前記試料の複数の部分それぞれの各流量を含む、請求項９に記載のシステム。
11. 前記基準周波数信号が１〜１００ＭＨｚの間に在り、前記オフセット周波数信号が０〜５ＭＨｚの間に在る、請求項１に記載のシステム。
12. 前記受信した情報が、前記放射光の前記第１の部分と前記試料の前記一部の間の散乱相互作用を示す情報を備える、請求項１に記載のシステム。
13. 前記システムの少なくとも一部が内視鏡内に組み込まれる、請求項１に記載のシステム。
14. 試料を放射光の少なくとも第１の部分で照射し光変調器を前記放射光の少なくとも第２の部分で照射するように、光源に光を放射させることであって、前記光変調器は、変調光を提供するように、基準周波数信号に基づいて前記変調光の少なくとも前記第２の部分を制御可能に変調するように構成されている、放射させることと、
    オフセット源を調整することであって、前記オフセット源はオフセット周波数信号を提供するように構成されており、前記オフセット源を調整することは、前記オフセット周波数信号をオフセット周波数の所定域内で変更することを備える、調整することと、
    前記オフセット源を調整しながら、画像センサから情報を受信することであって、前記画像センサは、前記変調光が前記画像センサを照射するように前記試料および前記光変調器に光学的に結合されており、前記画像センサは複数の検出素子を含み、前記複数の検出素子の各検出素子は利得入力を有し、前記利得入力は混合器に結合されており、前記混合器は、前記基準周波数信号および前記オフセット周波数信号に基づいてヘテロダイン信号を提供するように構成されており、各検出素子の前記利得入力は前記ヘテロダイン信号に基づいて変調される、受信することと、
    前記受信した情報に基づいて前記試料の一部の動きを判定することと、
    を含む方法。
15. 前記光変調器が、音響光学変調器または電気光学変調器の少なくとも１つを備える、請求項１４に記載の方法。
16. 前記光源が単一モードレーザーを備える、請求項１４に記載の方法。
17. 前記光源が複数のレーザーを備える、請求項１４に記載の方法。
18. 前記画像センサが、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）、光電子増倍管（ＰＭＴ）、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）検出器、または電荷結合素子（ＣＣＤ）の少なくとも１つを備える、請求項１４に記載の方法。
19. 前記受信した情報に基づいて前記試料の前記一部の前記動きを判定することが、前記試料の前記一部の流体の流れを判定することを含む、請求項１４に記載の方法。
20. 前記試料の前記一部の前記流体の流れを判定することが、前記試料の前記一部の前記流体の流れの流量を判定することを含む、請求項１９に記載の方法。
21. 前記試料のフローマップを判定することをさらに含み、前記フローマップは前記試料の複数の部分それぞれの各流量を含む、請求項２０に記載の方法。
22. 前記基準周波数信号が１〜１００ＭＨｚの間に在り、前記オフセット周波数信号が０〜５ＭＨｚの間に在る、請求項１４に記載の方法。
23. 前記受信した情報が、前記放射光の前記第１の部分と前記試料の前記一部の間の散乱相互作用を示す情報を備える、請求項１４に記載の方法。

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